Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 17

В качестве блока коммутациииспользовалось шасси Keithley 7001 с 2-мя платами мультиплексированиясигналов Keithley 7158. Эти платы были выбраны по причине обеспеченияимиширокогодиапазонапараметровкоммутируемыхсигналов:максимальный ток 100 мА, максимальное напряжение 30 В, контактноесопротивление менее 1 Ом, сдвиг по току менее 30 фА.

Такой диапазонпараметров позволил использовать платы коммутации как при проведении109процесса электромиграции, так и при проведении электрических измеренийвысокоомных наносистем.Рис. 46. Блок схема измерительной установки для измерения электронноготранспорта в наносистемах.В качестве измерительного прибора использовался пикоамперметрKeitley 6487 со следующими параметрами: диапазон измерения тока 20 фА 20 мА и диапазон задаваемого напряжения 200 мкВ - 505 В. Удалосьобеспечить входное сопротивление всей установки в целом (с учетом блокасопряжения и плат-адаптеров к исследуемым образцам) более 100 ГОм.

Этопозволило исследовать туннельный транспорт в нанозазорах и созданных наих основе наносистем. Была создана управляющая программа на языкеLabviewдляпроведенияизмеренийвольтамперныххарактеристикисследуемых образцов (однократное измерение, гистерезисный режим,снятие характеристик управления). Геометрия подводящих электродов кцентру образца и примененная топология нанопроводов наноструктуры(рисунки 18,23,24) позволяет использовать один из электродов, как общий, ис помощью плат коммутации выбирать исследуемый нанопровод изоставшихся 16 (еще 3 электрода использовались для задания напряжения науправляющийэлектрод).Этопозволиломаксимальноэффективноиспользовать применяемые УФ маски с 20-ю контактными площадками.1105.2 Электрические характеристики нанозазоров в нанопроводах сразмерами менее 5 нмПослесозданияразработаннойзазоровметодикивнанопроводах(подробноописанавсиспользованиемглаве3)подробноисследовались их электрические характеристики.

Зазоры с размерами менее 5нм получались в более, чем 75% случаев. Первоначально геометрия каждогонанозазора оценивалась в растровом электронном микроскопе, после чегоизмерялась его вольтамперная характеристика.Дляполнойхарактеризациинанозазоровбылиизмеренывольтамперные характеристики зазоров в широком интервале напряжений(от -10 В до 10 В) при комнатной температуре. Дифференциальныесопротивления зазоров в области малых напряжений варьируются от 100МОм до > 100 ГОм, что объясняется экспоненциальной зависимостьютуннельного тока от ширины зазора и от работы выхода электронов изметалла.Длядальнейшегоанализабылиотобраныобразцыссопротивлением R < 100 ГОм, так как остальные имеют сопротивлениеутечки больше, чем сопротивление утечки в нашей измерительной установке.Рис 47. Экспериментальная ВАХ прямого подбарьерноготуннелирования полученного нанозазора и ВАХ, построенная по методуСиммонса для туннелирования через зазоры 2-3 нм.111Для исследования качества получившихся нанозазоров (отсутствиевнутри нанозазоров наночастиц золота, иногда образующихся в ходеэлектромиграции или саморазрыва) и определения характера транспортаэлектронов проводилось сравнение экспериментальной вольтампернойхарактеристики с теоретически рассчитанной зависимостью туннельноготока от напряжения (по методу Симмонса, рисунок 47):=2ℎ∆ 2 −4∆ℎ2 − ( + )⁡(−4∆ℎ2( + )) (5.1)Формула Симмонса (5.1) [96] связывает между собой геометрическиепараметры зазора (величина зазора между электродами (Δх), S - площадьтуннельного контакта) и его физические характеристики (φсредняявеличина потенциального барьера вдоль туннельного перехода).Сиспользованиемпараметровнанозазоров,определенныхвэлектронном микроскопе (ширина зазора около 3 нм), и параметров пленок,заложенных технологически (толщина 15 нм), удавалось определятьвеличину потенциального барьера и оценивать площадь туннельногоконтакта.

В случае, приведенном на рисунке 47, площадь контакта составилаоколо 100 нм2, а ширина зазора - 3 нм, что хорошо соответствует реальнойгеометрии контакта, наблюдаемой в растровый электронный микроскоп(рисунок 34). Величина потенциального барьера ( 0.65 эВ ) при этомполучалась меньше значений работы выхода с поверхности золотой пленки,известных из литературы [97]. Однако относительно малая работа выходапленки золота нашла подтверждение при дальнейшем исследованииэлектронного транспорта через нанозазор методом Фаулера-Нордгейма.1125.3 Электрические характеристики нанозазоров в нанопроводах сразмерами более 5 нмНанозазоры с размерами более 5 нм также исследовались сначала врастровом электронном микроскопе, а затем проводилось определение ихэлектрических характеристик в созданной экспериментальной установке.Для таких зазоров анализ экспериментальных зависимостей по методуСиммонса дает сомнительный результат.Параметры аппроксимации,получаемые в этой модели (ширина и площадь зазора), не соответствуютвизуальной информации с растрового электронного микроскопа.

Это, по всейвидимости, свидетельствует о наличии других механизмов туннелирования.Другой возможный механизм протекания тока в подобной системе туннелирование электронов в область барьера или автоэлектронная эмиссия.Он описывается с помощью формулы Фаулера-Нордгейма [98]. Для нашегослучая эта формула будет выглядеть следующим образом: =2.2 3 28ℎ∆ 2 −82.96ℎ322(5.2)Здесь φ - работа выхода из металла, Δх - ширина зазора.Чтобы проверить, реализуется ли в имеющихся зазорах подобныйрежим, вольтамперные характеристики были перестроены в координатахФаулера-Нордгейма (рис.

48).В этих координатах аргументом является1V2обратное напряжение , а функцией - величина . Применяя формулуФаулера-Нордгейма, можно убедиться, что в автоэмиссионном режиме этидве величины связаны линейно, причем этот логарифм растет с уменьшением1V: 2=−(5.3)Здесь a и b - некоторые положительные константы.113Рис.48. Вольтамперная характеристика, построенная в координатахФаулера-Нордгейма для нанозазора 5 нм.В режиме малых напряжений, где ток линейно зависит от напряжения,график в координатах Фаулера-Нордгейма будет представлять из себя простофункцию ln1V(для нас важно, что логарифм убывает при уменьшениимодуля аргумента). А при напряжениях, близких к работе выхода, логарифмбудет вести себя следующим образом (см. формулу Симмонса):2~ + − 2 − + ~ 1− +1(5.4)Здесь А - некоторая положительная константа. Очевидно, что этовыражение тоже убывает при уменьшении1.Режим автоэлектронной эмиссии, очевидно, возможен лишь принапряжениях > .Значит, в координатах Фаулера-Нордгейма нанапряжениях, отвечающих переходу в режим холодной эмиссии электронов,будет наблюдаться минимум вольтамперной характеристики.

Действительно,этот минимум наблюдается на экспериментальных кривых (Рис. 48).114Полученные по положению минимумов оценки для работы выходаварьируются в пределах от 0,1 эВ до 1 эВ, что значительно меньше работывыхода из тонких золотых пленок (4,76 эВ) [97]. Такое различие, повидимому, объясняется совокупностью нескольких факторов: малая толщинапленки, большое количество дефектов в металле в области зазора послеэлектромиграции, форм-фактор (электроды в виде острия), возможноеналичие адсорбатов на поверхности электродов [97].Такимобразом,исследованиеэлектронноготранспортачерезнанозазоры разных размеров позволило выявить его туннельный характер и,тем самым, показало возможность использования таких зазоров для созданиятуннельных наноструктур на основе нанообъектов, встроенных в данныезазоры,иисследованияэлектронноготранспортачерезтакиенаноэлектронные элементы.5.4 Транспорт электронов через туннельные наносистемы на основенаночастицРазработанные в работе методики осаждения и закрепления наночастицв нанозазоре между электродами (глава 4) позволяют говорить о созданиизаконченных наносистем молекулярного масштаба.

Для выяснения ихэлектрических свойств было проведено исследование транспорта электроновчерез созданные наносистемы.Для всех образцов, после создания в них нанозазоров, проводилосьисследование этих зазоров по методам Симмонса и Фаулера-Нордгейма. Этопозволило предварительно убеждаться, что в зазорах присутствует толькотуннельный транспорт, и подтверждало, что после размещения в нанозазорахнаночастиц все изменения транспорта электронов вызваны именно за счетэтих наночастиц.115После такой проверки зазоров проводилось нанесение наночастиц иисследование электронного транспорта в данных образцах.

При нанесении наобразцы растворов с большой концентрацией (глава 4) наблюдалосьпопадание в нанозазоры сразу нескольких наночастиц. В ряде случаевпроисходило замыкание наночастицами нанозазора, и вольтамперныехарактеристики демонстрировали хорошую омическую проводимость (R ~ 10КОм - 100 КОм). В других случаях надежного замыкания зазора непроисходило и образцы демонстрировали вольтамперные характеристики,подобные приведенной на рисунке 49, с сопротивлением R ≥ 10 ГОм прималых напряжениях.Рис.

49 Вольт-амперная характеристика нанозазора, заполненногозолотыми наночастицами.Вольтамперная характеристикаимеет туннельный характер, но нетипичные для моночастичных туннельных систем значения напряжения, прикоторых происходит резкий рост тока. Кроме этого, на образцах сзаполненными наночастицами зазорами повторяемо наблюдались скачкитока при значениях напряжения, больших 3 В. Такой эффект, видимо, вызванпротеканием тока через скопления наночастиц, как через массив отдельныхгранул проводника [99], а не прямое электронное туннелирование междуэлектродами.116ИсследованиеструктурытранспортаявляетсяПредпринимаютсянапопыткиэлектроновсегодняшнейчисленногочерезденьгранулированныеактуальноймоделированиязадачей.электронноготранспорта в системах на основе тонких неоднородных нанополосок Cr [100]и нанопроводов Si на изоляторе [101].